Приложение 8. Определение прочностных характеристик грунтов

Приложение 8

Определение прочностных характеристик грунтов

Прочностные характеристики грунтов - угол внутреннего трения и сцепление должны устанавливаться, как правило, в полевых условиях и только при невозможности выполнения этого требования - в лаборатории. В первом случае исследования проводятся с помощью полевого прибора одноповерхностного вращательного среза (ОВС) конструкции Гипродорнии (авторское свидетельство N 485195 от 3.5.73 г.).

Половое определение прочностных характеристик грунта производится следующим образом. Крыльчатка в сборе (рис. 1) с секторным прессом (секторные штампы с распределительным кругом) навинчивается на центральную штангу (или колонну штанг в зависимости от глубины проведения испытаний). Собранная крыльчатка устанавливается на месте проведения испытаний и фиксируется в вертикальном положении с помощью треноги, а на штангу нанизываются грузы в количестве, необходимом для создания требуемого нормального давления на поверхности среза .

После создания требуемого нормального давления крыльчатка забивается (или задавливается) в грунт на 2-3 см. Глубина погружения крыльчатки фиксируется по рискам на штанге.

На штангу надевается измерительное устройство, крыльчатка медленно проворачивается, и замеряется величина максимального крутящего момента . После срыва крыльчатка проворачивается на 360° и останавливается на 5 мин для восстановления сцепления связности (см. Методические указания по оценке местной устойчивости откосов и выбору способов их укрепления в различных природных условиях ЦНИИС, 1970). Затем повторяется поворот крыльчатки и определяется крутящий момент , характеризующий пластичную часть общего момента .

После первого эксперимента масса грузов увеличивается в 2 раза, крыльчатка заглубляется еще на 2-3 см, и описанный выше опыт повторяется, но уже при удвоенной нормальной нагрузке с соответственным определением и .

После второго опыта крыльчатка извлекается из грунта и на ее место на глубину второго опыта (или несколько меньшую) задавливается специальный полый цилиндр, служащий для замера, трения грунта по металлу. Этот цилиндр проворачивается, и замеряется максимальный момент сил трения грунта по металлу .

Частные значения сопротивляемости грунта сдвигу рассчитываются по общей формуле для каждого из двух экспериментов:

, (1)

где - максимальное значение крутящего момента при вращении крыльчатки, ; n - коэффициент пересчета, учитывающий разницу в геометрических размерах кольца крыльчатки и специального цилиндра; - максимальное значение крутящего момента сил трения грунта на поверхности специального цилиндра, ; - внутренний радиус кольца крыльчатки, см; - упругая часть крутящего момента, равная ; - пластичная часть крутящего момента.

Коэффициент пересчета n равен:

- при задавливании внешнего кольца вне точки испытания крыльчаткой.

- при задавливании внешнего кольца в точке испытания крыльчаткой.

где - наружный радиус кольца крыльчатки, см, h - глубина задавливания крыльчатки, см, , - соответственно наружный и внутренний радиусы специального цилиндра, см, H - глубина задавливания специального цилиндра, см.

Полученные в результате двух испытаний в одной точке при различных нормальных давлениях значения сопротивляемости грунта сдвигу позволяют составить систему из двух уравнений Кулона

(2)

где и - сопротивляемости грунта сдвигу при срезе под нагрузкой от массы грузов соответственно и (нормальные давления и ); и - соответственно угол внутреннего трения и сцепления при данной влажности.

Решение системы уравнений (2) позволяет найти искомые характеристики и .

Определение пластичной части сопротивляемости сдвигу производится по формуле

. (3)

Для разделения общего сцепления на его составляющие структурное сцепление и сцепление связности следует использовать выражения

, (4)

где - сопротивляемость сдвигу, соответствующая ,

. (5)

Лабораторное определение и производится на лабораторной модификации того же прибора ОВС (рис. 2). В отдельных случаях можно определять прочностные характеристики и на стабилометрах, например, типа М-2 конструкции Медкова (см. Практическое руководство к исследованию механических свойств грунтов с применением стабилометра М-2 Госэнергоиздат, 1959) или срезных приборах конструкции Маслова - Лурье.

Однако наиболее приемлемым следует считать ОВС-1л, так как в этом случае обеспечивается сопоставимость результатов с данными полевых исследований.

Испытания в лабораторных условиях производятся на приборе типа ОВС с монолитами или грунтами нарушенного сложения.

Приготовление образцов в последнем случае выполняется в соответствии с п. 2.4.14 настоящих ТУ.

Порядок испытаний грунтов состоит в следующем. Уплотненный в форме грунт накрывается штампом 5 с завинченной пробкой и выдерживается под нагрузкой, создаваемой с помощью рычага 2 и грузов. После требуемой выдержки грунта под нагрузкой центральная пробка вывинчивается, а часть грузов снимается для выравнивания нагрузки. В образовавшееся отверстие устанавливается крыльчатка с секторными штампами. На штангу 13 надеваются грузы 16 в количестве, необходимом для создания требуемого начального нормального напряжения.

В случае испытаний, моделирующих работу грунта под дорожной одеждой, начальное нормальное давление должно быть равно удельному давлению от дорожной одежды плюс величина напряжений в земляном полотне от расчетного автомобиля.

Для этого значения нормальной нагрузки назначают для усовершенствованных покрытий капитального и облегченного типа 0,05-0,15 от , для покрытий переходного типа 0,15-0,25 ( - давление на покрытие от колеса расчетного автомобиля).

В случае испытаний, моделирующих работу грунта в откосах, начальная нормальная нагрузка назначается по формуле ,

где - объемная масса грунта; h - глубина проведения испытаний от поверхности насыпи (выемки).

После создания требуемого напряженного состояния крыльчатка задавливается или забивается в грунт на глубину 5-10 мм. К диску 11 с помощью грузов 3 ступенями по 0,2 кгс прикладывается крутящий момент, а по лимбу на поверхности столика 15 определяется угловая деформация.

Каждая ступень нагрузки выдерживается в течение 1 мин после завершения деформации с последующим увеличением до срыва грунта.

Максимальный крутящий момент определяется по формуле

, (6)

где - общий вес грузов, соответствующий моменту срыва, кгс; - радиус диска, см.

По аналогичной формуле определяется и пластичная часть крутящего момента

, (7)

где - вес груза, соответствующий моменту пластичного срыва.

Испытания проводятся при трех последовательных сдвигах грунта при нагрузке , и с соответствующим задавливанием крыльчатки на каждом сдвиге на глубину не менее чем 0,5 см. После опытов крыльчатка извлекается и в грунт по аналогии с полевым экспериментом задавливается специальный цилиндр. Цилиндр проворачивается путем ступенчатого приложения крутящего момента с последующим определением максимального момента сил трения грунта по металлу . Определение сопротивляемости грунта сдвигу по результатам испытаний проводится по формулам, используемым при полевых испытаниях. При этом в примечании указывается величина кольцевой нагрузки .

Обработка результатов для получения значений и может производиться как аналитическим способом по формулам, используемым в полевых испытаниях, так и графически. Графическое определение угла внутреннего трения и сцепления проводится путем построения графиков ; аналогично существующему способу обработки результатов испытаний на срезных приборах.

Для определения прочностных характеристик грунтов, имеющих включения щебня, гравия и других крупных частиц размером 10 мм в количестве до 40%, нельзя использовать указанные выше приборы. В этих случаях может быть использована клиновая установка типа КУ-54 (рис. 3), основанная на испытании грунтов методам косого среза. Этот метод заключается в смещении двух кососимметричных частей грунтового цилиндра по плоскости, расположенной под различными углами к поперечному сечению. Для получения прочностных характеристик необходимо срез произвести не менее чем при трех различных значениях угла . В данной методике применяются углы 30, 40, 50 и 60°.

Отбор испытуемых образцов грунта можно производить из кернов при проходке скважины или из монолитов при проходке шурфов. Перед отбором образцов из мополитов или кернов клиновая обойма собирается из своих половин 5 и 6 с закреплением фиксаторами и соблюдением зазора между ними 2-6 мм в зависимости от величины твердого включения. Монолит для отбора образцов должен иметь размеры 120х120х120 мм, керн - диаметр 127 и высоту 200 мм.

Для уменьшения сопротивления врезке и нарушения структуры грунта на обойму насаживается врезное кольцо. Заполнение обоймы грунтом производится обычным задавливанием с последующей зачисткой торцов образца. По окончании заполнения обоймы фиксаторы отпускаются, направляющие вынимаются из втулок, врезное кольцо снимается, и обойма с грунтом помещается в подвижную каретку 7 под упорный винт 1. Затем устанавливается переходник 4 и динамометр 3. Сдвиг образца производится давлением, создаваемым упорным винтом 1 через динамометр 3, который фиксирует величину этого усилия, передаваемого ступенями, равными 10-20 кгс. Каждая ступень выдерживается до условной стабилизации. Время выдержки в зависимости от вида грунта и консистенции приведено в табл. 1 для схемы консолидированно-дренированного сдвига. Момент сдвига фиксируется по индикатору динамометра обратным возрастанию нагрузки вращением стрелки индикатора.

Таблица 1

Вид грунта	Консистенция В	Время выдержки, мин	Примечание
Глинистый	0,25	2-3	Для схемы неконсолидированно-недренированного сдвига нагрузки прикладываются непрерывно до наступления сдвига
	25-50	4-6
	50-75	8-10
Песчаный		3-5

Образцы должны быть испытаны не менее чем в трех обоймах при любой очередности. При ориентировочных значениях угла внутреннего трения менее 20° применяются обоймы с углами = 30, 40, 50°, в остальных случаях - 40, 50, 60°.

Определение прочностных характеристик грунта - угла внутреннего трения и удельного сцепления производится одним из трех методов: аналитическим, графоаналитическим или графическим.

Наиболее простым и доступным методом является графический. В этом случае достаточно знать величину максимального вертикального напряжения Р, чтобы определить значения и . Построение ведется также в прямоугольной системе координат, где по оси абсцисс располагаются значения Р, а по оси ординат - .

Для этого из начала координат проводят лучи, наклоненные к оси абсцисс под углами, соответствующими углам по поверхности среза образцов. Taких лучей должно быть не менее трех (рис. 4).

Далее на оси абсцисс, начиная от начала координат, откладываются значения Р, которые одновременно являются диаметрами окружностей, носящих название кругов Мора, проходящих через начало координат. Таких окружностей также не менее трех. Точки пересечения окружностей с соответствующими лучами соединяются прямой, которая является предельной для испытуемого грунта. Угол наклона прямой к оси ординат - .

Все записи во время опыта заносятся в журнал по форме табл. 2.

Таблица 2

Дата и время приложения нагрузки	Наименование объекта	N скважин	Глубина испытания	Схема сдвига	Вертикальные усилия кгс/см2	Сопротивляемость сдвигу, кгс/см2	Угол внутреннего трения, град	Сцепление, кгс/см2

Если испытания ставят своей целью подбор грунта с заданными параметрами и или удовлетворение требований п. 2.4.22, определение их значений ведется при дискретно понижающихся значениях влажности со ступенями не более 2%, подбираемых начиная с влажности в период полевых испытаний и ниже (если подбор осуществляется для откосов), или по значениям и , принимаемым согласно точке пересечения кривых рис. 9 приложения 1 (если проводится подбор состояния грунта дорожной конструкции) .

По результатам испытаний строят графики (рис. 5) зависимости и .

Если подбор состояния грунта производится для откосов, то по заданным значениям и с помощью указанных графиков определяют значение влажности W, до которого необходимо понизить естественную влажность.

Если подбор производится для проезжей части, то по графикам (см. рис. 8 приложения 1) исходя из значения определяют соответствующую влажность , по величине которой по графику (см. рис. 5) находят требуемые значения и . Если данные и удовлетворяют условию предельного равновесия при расчете дорожной конструкции, требуемое значение влажности определено правильно.

Если значения и не удовлетворяют условиям предельного paвновесия, последовательным расчетом находят требуемые значения и и по их величине с помощью графиков рис. 5 находят необходимое значение влажности грунта .

Для определения влажности W, удовлетворяющей условию

,

строят графические зависимости и (рис. 6).

Значения , и К' находят в соответствии с ВСН 46-72.